基于STM32的鋰離子電池充電系統(tǒng)研究

李治國 羅洋坤

摘 ?要： 鋰離子電池是目前綠色環(huán)保電池之一，已廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如交通動(dòng)力電源，新能源儲(chǔ)能動(dòng)力電源，電力儲(chǔ)能電源等。文中提出了對(duì)鋰離子電池的充電和檢測需要進(jìn)行深入的研究，使用STM32作為基礎(chǔ)的核心控制，利用PWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電池的檢測和細(xì)分控制。文中對(duì)基于STM32的鋰離子電池充電系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示該方案具有操作簡單的優(yōu)勢，響應(yīng)速度滿足設(shè)計(jì)要求，可靠性好，充電精度得到了提高。

關(guān)鍵詞： 鋰離子電池;STM32; PWM技術(shù)

中圖分類號(hào)： TP273.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.028

本文著錄格式：李治國，羅洋坤. 基于STM32的鋰離子電池充電系統(tǒng)研究[J]. 軟件，2019，40（6）：127129

【Abstract】： As one of the environment-friendly batteries， the Lithium-ion battery has been widely applied in many fields， including power supply for transport， new energy storage， electricity power storage， etc. In this paper， a further study on the charging system and testing of lithium-ion batteries is conducted using STM32 as the fundamental core control and PMW techniques to realize the testing and microstep control of the batteries. A project design of the lithium-ion battery charging system based on STM32 is proposed in this paper and verified by experiments. The re-sults show that the proposed project design is easy to operate with fast response speed and high reliability， which improves the charging precision.

【Key words】： Lithium-ion batteries; STM32; PWM techniques

0 ?引言

近年來，隨著鋰離子電池作為動(dòng)力電池和輔助動(dòng)力電池廣泛使用在電動(dòng)汽車、電動(dòng)旅游觀光車、電動(dòng)公交大巴上等領(lǐng)域，因此鋰離子電池在新能源汽車動(dòng)力方向發(fā)揮著重要的作用。由于鋰離子電池具有無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域和性價(jià)比高[1]，作為新能汽車動(dòng)力電池和輔助動(dòng)力電池，因此對(duì)于鋰離子電池的要求更高，需要達(dá)到電能的轉(zhuǎn)換率高速穩(wěn)定的要求，這是非常具有挑戰(zhàn)性，而且需要不斷深入研究[2-3]。文中提出了使用Cortex-M3微處理器[4]作為基礎(chǔ)的核心控制，利用PWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電池的檢測和細(xì)分控制，通過脈沖寬度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)充電模式的改善，引入反饋機(jī)制來實(shí)現(xiàn)有效控制，并且使用STM32可以實(shí)現(xiàn)有效的擴(kuò)展，方便接入其它模塊和元器件[5]。其中，運(yùn)用STM32F407控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池充放電參數(shù)的內(nèi)部設(shè)定，由于對(duì)外不可見，因此具有良好的保密性和穩(wěn)定性，其控制參數(shù)不容易被篡改，但是可以進(jìn)行編程進(jìn)行修改，因此方便了維護(hù)人員進(jìn)行參數(shù)問題診斷和控制升級(jí)。同時(shí)STM32F407控制器設(shè)計(jì)了外圍的保護(hù)電路，進(jìn)一步保護(hù)了STM32F407控制器和鋰離子電池設(shè)備，能夠?qū)^壓過流等常見電路異常情況進(jìn)行有效的保護(hù)。文中對(duì)基于STM32的鋰離子電池充電系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示該方案具有操作簡單的優(yōu)勢，并且響應(yīng)度滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，可靠性好，充電精度得到了提高。

1 ?電池參數(shù)和方案設(shè)計(jì)

電池的性能參數(shù)主要包括電流、溫度、電壓三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[6]，通過這三種參數(shù)的綜合評(píng)估來選取最佳的鋰離子電池組合，而且在選取時(shí)一定要確保型號(hào)和性能一致，這樣有利于可靠性和穩(wěn)定性，因?yàn)榘踩砸彩侵匾闹笜?biāo)之一。另外還有容量，但是由于容量不能直接測量只能通過標(biāo)注參考其出廠容量值，只能通過放電時(shí)間和電流值的乘積進(jìn)行理論計(jì)算[7-10]，在后續(xù)的評(píng)定中不能發(fā)揮重要作用，因此可以忽略該參數(shù)。

方案采用ST公司的STM32F407為控制核心單元，控制鋰離子電池的充放電。通過反饋模式可以增強(qiáng)鋰離子電池充放電的可靠性，并提高其精度，并且管理更加方便。STM32F407控制器通過運(yùn)行控制程序來實(shí)現(xiàn)具體的信號(hào)采集功能和充放電控制。

2 ?充放電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?充放電控制模塊

動(dòng)力或輔助動(dòng)力鋰離子電池的行為主要包括閑置、充電、放電三種狀態(tài)，并且在三種狀態(tài)之間會(huì)不斷切換。其中放電模式下主要呈現(xiàn)恒流的特點(diǎn)，充電模式下呈現(xiàn)先穩(wěn)定電流在穩(wěn)定電壓的特點(diǎn)[11]。系統(tǒng)硬件通過電路模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換為48V的直流電，然后根據(jù)單個(gè)電池組的要求需求將48V的直流電進(jìn)行降壓，從而滿足單個(gè)電池組的充放電的電壓、電流要求。STM32F407控制器通過運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)充電、放電、閑置狀態(tài)之間的切換和運(yùn)行。

系統(tǒng)通過STM32F407控制器來控制大功率耗能電阻實(shí)現(xiàn)恒流放電過程，在整個(gè)負(fù)載充放電的過程中完成了數(shù)據(jù)的采集過程，主要包括實(shí)時(shí)采集電壓和電流等信號(hào)，并進(jìn)行反饋通過PID算法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓電流控制，從而保證充放電過程的穩(wěn)定[12]。圖1為STM32F407控制器充放電控制圖。

其中充電電路由AC/DC電壓變換電路和驅(qū)動(dòng)電路組成，并由TL494 PWM控制器配合STM32F407進(jìn)行控制[13]。

2.2 ?STM32鋰離子電池信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)通過STM32F407進(jìn)行控制采集鋰離子電池的內(nèi)部電壓、電流和溫度等情況，并將檢測值保存到STM32F407的擴(kuò)展內(nèi)存中，方便以后進(jìn)行讀取和研究[14]。圖2是信號(hào)采集模塊的流程，其過程非常簡單，通過采集鋰離子電池的信號(hào)，將信號(hào)經(jīng)過調(diào)節(jié)電路和A/D轉(zhuǎn)換電路發(fā)送到控制中心STM32F407。

由于單組鋰離子電池的充放電電流與車輛行駛有很大的關(guān)系，因此環(huán)境噪聲對(duì)其干擾非常大。因此需要在鋰離子電池負(fù)極串聯(lián)采樣電阻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行放大和調(diào)節(jié)。而鋰離子電池的兩端電壓可以作為采樣電壓。

嵌入式處理器作為鋰離子電池充電系統(tǒng)的核心，具體實(shí)驗(yàn)的型號(hào)選取非常重要，而嵌入式處理器目前的型號(hào)也是非常多，目前市場上主要使用的很包括16位和32位。而STM32F407性價(jià)比非常高，性能穩(wěn)定可靠，是屬于32位系列，能夠滿足鋰離子電池充電系統(tǒng)的功能需求?；赟TM32F407芯片設(shè)計(jì)鋰離子電池充電系統(tǒng)的核心控制電路。

基于STM32F407控制芯片設(shè)計(jì)的鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件控制器，可以充分利用該芯片在頻率和功耗模式的優(yōu)勢。STM32F407有穩(wěn)定卓越的時(shí)鐘模式，在其啟動(dòng)時(shí)可以自由的選擇系統(tǒng)時(shí)鐘，在進(jìn)行復(fù)位操作時(shí)，其內(nèi)置的8MHz晶振可以作為CPU的內(nèi)部時(shí)鐘，也可以使用多個(gè)預(yù)比較器配置AHB的頻率，其中包括APB2和APB1的配置，高速APB2可以設(shè)置為72MHz，低速APB1可以設(shè)置為36MHz，該模式完全滿足靜態(tài)動(dòng)力或輔助動(dòng)力鋰離子電池充電系統(tǒng)的要求，其時(shí)鐘頻率較高，保證了整個(gè)鋰離子電池充電系統(tǒng)的運(yùn)行速度。STM32F407有3種可以使用的低功耗模式，例如在休眠模式下只有STM32F407的CPU停止了工作，但是可以通過中斷/事件輕松將其喚醒;在停止模式下可以實(shí)現(xiàn)以最小功耗持續(xù)保存SRAM和寄存器的內(nèi)部數(shù)據(jù)，可以通過外部中斷線從停止模式將其輕松的喚醒;在待機(jī)模式下SRAM和寄存器的內(nèi)部數(shù)據(jù)會(huì)被持續(xù)清理，當(dāng)外部復(fù)位時(shí)可以退出待機(jī)模式。這三種模式可使鋰離子電池充電系統(tǒng)在低功耗、啟動(dòng)時(shí)間、喚醒源之間達(dá)到性能最優(yōu)。

3 ?系統(tǒng)測試

對(duì)本文所設(shè)計(jì)的鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)所測試的鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)容量為800 mA.h，檢測標(biāo)準(zhǔn)定為標(biāo)準(zhǔn)容量的85%，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果平均值達(dá)到660 mA.h，因此通過實(shí)驗(yàn)分析達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過實(shí)驗(yàn)測量，可以得到實(shí)際電阻電流為最大3.2 A，最大電壓差是0.05 V，最小電流為0.04 A，最小電壓差為0.002 V。在實(shí)驗(yàn)過程中采集了8組鋰離子電池的電壓和電流信號(hào)，總共得到了16路數(shù)據(jù)信號(hào)。因此，選取AD5590轉(zhuǎn)換芯片，該A/D模塊具有16個(gè)模擬輸入接口滿足實(shí)驗(yàn)需求。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊可以將采樣得到的充放電的電壓和電流輸出。STM32F407控制器通過SPI接口實(shí)現(xiàn)與AD5590轉(zhuǎn)換芯片的通信和控制。

由實(shí)驗(yàn)可知，本文設(shè)計(jì)的基于STM32的動(dòng)力鋰離子電池充電系統(tǒng)性能良好，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果。此外，實(shí)驗(yàn)也對(duì)于軟件進(jìn)行了測試。對(duì)于軟件可以通過KEIL4進(jìn)行調(diào)試。通過調(diào)試測試程序可以驗(yàn)證程序功能的完整性和魯棒性，從而可以排除實(shí)驗(yàn)過程中遇到的硬件錯(cuò)誤。在調(diào)試過程中通過該軟件不僅可以觀察到鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件控制器的各個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)，還可定義變量的實(shí)時(shí)值。通過設(shè)定斷點(diǎn)來觀察鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件控制器執(zhí)行到某一行程序的現(xiàn)象，也可以配合串口調(diào)試助手進(jìn)行鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件控制器的程序調(diào)試。

4 ?結(jié)束語

文中提出了使用STM32作為基礎(chǔ)的核心控制，利用PWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電池的檢測和細(xì)分控制，通過脈沖寬度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)充電模式的改善，引入反饋機(jī)制來實(shí)現(xiàn)有效控制，并且使用STM32可以實(shí)現(xiàn)有效的擴(kuò)展，方便接入其它模塊和元器件。文中對(duì)基于STM32的動(dòng)力鋰離子電池充電系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示該方案具有操作簡單的優(yōu)勢，并且響應(yīng)速度滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，可靠性好，有效提高充電精度。

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